压电发电元件和使用压电发电元件的发电方法 【技术领域】
本发明涉及压电发电元件和使用压电发电元件的发电方法。背景技术 振动发电是捕捉机械振动中包含的力学能量而转换为电能的发电方法。 振动发电 例如利用电磁感应、 静电感应或者压电效果。其中， 利用压电效果的振动发电 ( 压电发电 ) 表现出高能量密度。这是因为用于压电发电的元件 ( 压电发电元件 ) 的结构简单， 该元件 能够小型化。压电发电元件 ( 振动发电元件 ) 是通过压电效果把施加到压电体层上的机械 振动的能量转换成电能进行发电的元件。
图 11 和图 12 表示现有技术中的压电发电元件。
图 11 表示的元件具备单臂式的 ( 悬臂形的， 一端固定的， cantilever) 振动梁 102。振动梁 102 为带状。振动梁 102 的一个端部 ( 固定端 )103 固定在框架 104 上。振动 梁 102 的另一个端部 105 没有固定在框架 104 上。端部 105 是自由端。端部 105 能够沿着
与振动梁 102 的主面垂直的方向振动。在振动梁 102 的一个表面上配置发电层 101。发电 层 101 具备压电体层和夹持压电体层的一对电极。如果在图 11 表示的元件上施加外部振 动， 则振动梁 102 因该振动而振动。该振动使包含在发电层 101 中的压电体层变形。该变 形基于压电效果在夹持压电体层的一对电极之间产生电位差。发电层 101 可以配置在振动 梁 102 的两个 ( 双方 ) 表面上。发电层 101 的一部分也能够配置在框架 104 的表面。图 11 表示的元件例如公开在专利文献 1 中。
图 12 表示的元件具备两端固定式 ( 桥形 ) 的振动梁 201。振动梁 201 是带状。 振动梁 201 的两个端部 202、 203 固定在框架 104。在振动梁 201 的一个表面上配置发电层 101。如果在图 12 表示的元件施加外部振动， 则振动梁 201 因该振动而振动。振动的幅度 在振动梁 201 的中央部分 204 成为最大。该振动使包含在发电层 101 中的压电体层变形。 该变形基于压电效果， 在夹持压电体层的一对电极之间产生电位差。图 12 表示的元件例如 公开在专利文献 2 中。
在图 11 表示的元件中， 振动梁 102 是悬臂形。因此， 对于振动梁 102 的振动的制 约少。这样的少的制约允许产生一定程度的大电力。但另一方面， 由于过度的外部振动， 振 动梁 102 易于损坏。
对此， 在图 12 表示的元件中， 振动梁 201 是两端固定式。 两端固定式的振动梁 201 难以由于外部振动而损坏。但另一方面， 由于振动梁的 2 个端部被固定， 因此该梁的振幅量 小， 存在产生的电力小的倾向。专利文献 3 公开了增大两端固定式振动梁的振幅量的方法。 具体地讲， 在专利文献 3 中公开的元件中， 预先折曲振动梁， 保持为双稳定状态。在该元件 中， 振动梁在 2 个稳定状态之间交替 ( 交互 ) 振动。该振动的振幅量比图 12 表示的振动梁 201 所示出的振幅量大。
除了专利文献 1 ～ 3 以外， 专利文献 4 和专利文献 5 也能够与本发明相关联。专 利文献 5 没有公开压电发电元件。专利文献 5 公开了高频微电机开关 (micro machineswitch)。压电发电元件基于与梁的振动有关的技术。高频微电机开关基于把梁作为开关 保持为 OFF 或者 ON 的位置， 即， 使梁在特定的 2 个形态之间转换， 保持该形态的技术。在高 频微电机开关中， 完全没有考虑梁的振动。两者基于完全不同的技术。
现有技术文献
专利文献
专利文献 1 ： 日本特开平 09-205781 号公报
专利文献 2 ： 日本专利第 3790255 号公报
专利文献 3 ： 日本专利第 3939737 号公报
专利文献 4 ： 日本特开 2006-246688 号公报
专利文献 5 ： 日本特开 2007-026804 号公报 发明内容 发明要解决的课题
预先使振动梁折曲的方法增大振动梁的振幅量。 但是， 在压电发电元件的制造时， 需要振动梁的折曲、 双稳定点的寻找、 振动梁折曲状态的调整以及保持调整后的状态的振 动梁的固定。即， 压电发电元件的制造工艺复杂。当前并没有实现具备两端固定式的振动 梁、 发电量大、 制造比较容易的压电发电元件。
本发明的目的是提供 ： 具备相对于外部振动难以损坏的两端固定式的振动梁的同 时， 发电量大， 制造比较容易的压电发电元件。另外， 本发明的目的是提供使用了该压电发 电元件的发电方法。
用于解决课题的技术手段
本发明的压电发电元件具备支承体、 带状的振动梁、 压电体层、 夹持上述压电体层 的一对电极。上述振动梁的两个端部 ( 第一端部和第二端部 ) 固定在上述支承体。上述压 电体层和上述一对电极配置在上述振动梁的表面。上述振动梁在未振动的状态下， 在一个 平面内伸展。上述振动梁具有从固定在上述支承体上的上述第一端部伸展的第一部分、 从 固定在上述支承体上的上述第二端部伸展的第二部分、 连接上述第一部分中的与上述第一 端部相反一侧的端部以及上述第二部分中的与上述第二端部相反一侧的端部的第三部分。 上述振动梁在从垂直于上述平面的方向观察时， 有以下的 (1) ～ (3) 的形状。(1) 上述第 一部分从上述第一端部伸展的第一方向和上述第二部分从上述第二端部伸展的第二方向 分别为接近上述第二端部和上述第一端部的方向。(2) 上述第一方向和上述第二方向分别 具有相对于连接上述第一端部中心和上述第二端部中心的直线超过 0°小于 90°的角度。 (3) 上述第三部分与上述直线交叉 1 次。
本发明的方法是使用压电发电元件的发电方法， 包括准备压电发电元件的工序， 和以下的工序 (A)。此处， 上述压电发电元件具备支承体、 带状的振动梁、 压电体层、 夹持上 述压电体层的一对电极。上述振动梁的两个端部 ( 第一端部以及第二端部 ) 固定在上述 支承体。上述压电体层和上述一对电极配置在上述振动梁的表面。上述振动梁在未振动 的状态下， 在一个平面内伸展。上述振动梁有从固定在上述支承体上的上述第一端部伸展 的第一部分、 从固定在上述支承体上的上述第二端部伸展的第二部分、 连接上述第一部分 中的与上述第一端部相反一侧的端部和上述第二部分中的与上述第二端部相反一侧的端
部的第三部分。上述振动梁在从垂直于上述平面的方向观察时， 有以下的 (1) ～ (3) 的形 状。(1) 上述第一部分从上述第一端部伸展的第一方向和上述第二部分从上述第二端部伸 展的第二方向是分别接近上述第二端部和上述第一端部的方向。(2) 上述第一方向和上述 第二方向分别具有相对于连接上述第一端部中心和上述第二端部中心的直线超过 0°小于 90°的角度。(3) 上述第三部分与上述直线交叉 1 次。工序 (A) 是通过在上述压电发电元 件施加振动， 使得在上述一对电极之间产生电位差的工序。
发明的效果
本发明的发电元件具备有特殊形状的振动梁。由此， 实现相对于外部振动难以损 坏， 发电量大， 制造比较容易的压电发电元件。 本发明的压电发电元件能够从存在于该元件 周围环境中的振动捕捉大的电力。 通过使用本发明的压电发电元件， 实现稳固、 生产性优秀 ( 便于生成 ) 的小型的独立发电机。 附图说明 图 1 是示意性表示本发明的压电发电元件的 1 个例子的立体图。
图 2 是从与图 1 表示的压电发电元件具备的振动梁伸展的平面垂直的方向观察该 压电发电元件的示意性平面图。
图 3 是示意性表示虽然振动梁具有折曲部， 但是没有包含在本发明中的压电发电 元件的 1 个例子的平面图。
图 4A 是用于说明振动梁中的端部的中心的示意图。
图 4B 是用于说明振动梁中的端部的中心的示意图。
图 5A 是示意性表示本发明的压电发电元件的另一个例子的平面图。
图 5B 是沿着图 5A 表示的压电发电元件具备的振动梁的中心线切断该压电发电元 件后的截面图。
图 6A 是示意性表示本发明的压电发电元件的另一个例子的平面图。
图 6B 是沿着图 6A 表示的压电发电元件具备的振动梁的中心线切断了该压电发电 元件后的截面图。
图 7A 是示意性表示本发明的压电发电元件的又一个例子的平面图。
图 7B 是示意性表示本发明的压电发电元件的又一个例子的平面图。
图 7C 是示意性表示本发明的压电发电元件的又一个例子的平面图。
图 8A 是示意性表示本发明的压电发电元件的又一个例子的平面图。
图 8B 是示意性表示本发明的压电发电元件的又一个例子的平面图。
图 8C 是示意性表示本发明的压电发电元件的又一个例子的平面图。
图 8D 是示意性表示本发明的压电发电元件的又一个例子的平面图。
图 9 表示在实施例 1 中评价了的压电发电元件表示的产生电压的时间依赖性。
图 10 是示意性表示在实施例 3 中评价了的压电发电元件的制造的立体图。
图 11 是示意性表示具备悬臂形振动梁的现有技术中的压电发电元件的 1 个例子 的立体图。
图 12 是示意性表示具备桥形振动梁的现有技术中的压电发电元件的 1 个例子的 立体图。
具体实施方式
以下， 说明本发明的实施方式。在以下的说明中， 在相同的构件上标注相同的符 号。由此省略重复的说明。
[ 压电发电元件 ]
图 1 表示本发明的压电发电元件的 1 个例子。图 1 表示的压电发电元件 1 具备带 状的振动梁 2。振动梁 2 的两个端部 ( 第一端部 4 和第二端部 6) 固定在支承体 ( 基座 )3 上。振动梁 2 的该端部 ( 固定端 ) 以外的部分 ( 振动部 ) 能够跟随 ( 对应于 ) 外部振动而 振动。即， 振动梁 2 是两端固定式。因而， 振动梁 2 相对于外部振动难以损坏。振动梁 2 以 振动部能够沿着该振动梁的厚度方向振动的方式固定在支承体 3 上。
振动梁 2 在该梁未振动的状态下， 在一个平面内伸展。即， 在元件 1 的制造时不需 要进行振动梁的折曲、 双稳定点的寻找、 振动梁的折曲状态的调整以及保持调整后的状态 的振动梁的固定。因而， 元件 1 的制造比较容易。与振动梁 2 伸展的平面垂直的方向和与 振动梁 2 的主面垂直的方向是相同的。
振动梁 2 有从固定在支承体 3 的第一端部 4 伸展的第一部分 5、 从固定在支承体 3 上的第二端部 6 伸展的第二部分 7、 连接第一部分 5 中的与端部 4 相反一侧的端部和第二部 分 7 中的与端部 6 相反一侧的端部的第三部分 10。 图 2 是从与振动梁 2 伸展的平面垂直的方向观察图 1 表示的元件 1 的平面图。如 图 2 所示， 从与振动梁 2 伸展的平面垂直的方向观察， 第一部分 5 从振动梁 2 的第一端部 4 伸展的第一方向 11 是接近 ( 趋向于 ) 振动梁 2 的第二端部 6 的方向。第二部分 7 从振动 梁 2 的第二端部 6 伸展的第二方向 12 是接近 ( 趋向于 ) 振动梁 2 的第一端部 4 的方向。第 一方向 11 和第二方向 12 相对于连接振动梁 2 的第一端部 4 的中心 8 和第二端部 6 的中心 9 的直线 13， 以超过 0°小于 90°的角度相交。第三部分 10 与直线 13 交叉 1 次。
在振动梁 2 的表面配置具备压电体层和夹持该压电体层的一对电极的发电层 14。 带状的振动梁 2 的厚度方向与压电体层的厚度方向相同。
具备振动梁 2 的元件 1 由外部振动产生的发电量大。
图 12 表示的现有技术中的压电发电元件具备两端固定式的振动梁 201。但是， 在 振动梁 201， 梁 201 从其一个端部 202 伸展的方向和梁 201 从另一个端部 203 伸展的方向相 同。除此以外， 这些方向与连接梁 201 的两个端部中心的直线是平行的。即， 这些方向与该 直线构成的角度是 0°。有这样的直线的桥形的振动梁 201 是刚直的。振动梁 201 在振动 时能够得到的振幅量小。对此， 根据第一方向 11 和第二方向 12 相对于直线 13 以超过 0° 的角度相交的形状， 振动梁 2 更柔软。从而， 振动梁 2 在振动时能够得到的振幅量大。
但是， 仅有振动梁能够得到的振幅量大时， 发电量并不大。 这是因为在压电发电元 件中， 通过与振动梁伸展的平面垂直的方向 ( 振动梁和压电体层的厚度方向， 例如， 图2中 表示的 z 方向 ) 的振动进行发电。考虑到这一点， 振动梁 2 具有上述的形状。
对于元件 1， 如果从外部在与振动梁 2 伸展的平面垂直的方向 ( 图 2 表示的 z 方 向 ) 施加机械振动， 则振动梁 2 沿着 z 方向振动， 进行发电。其它方向的振动例如图 2 表示 的 y 方向的振动对发电没有贡献。但是， 外部振动仅由 z 方向的成分构成的情况较少。外 部振动通常包括 z 方向以外方向的成分。在元件 1 中， 在外部振动包含 y 方向的成分的情
况下， 振动梁 2 中的 y 方向的振动受到抑制。被抑制后的 y 方向的振动汇集到 z 方向的振 动中， 对发电做出贡献。由此， 元件 1 的发电量变大。
通过在振动梁中设置折曲部或者弯曲部， 振动梁能够得到的振幅量变大。 但是， 在 振动梁不满足上述形状的情况下， 在振动梁中 y 方向的振动被抑制的程度减小。即， 这些 y 方向的振动汇集在 z 方向的振动中的量减少， 发电量减小。存在折曲部或者弯曲部但是不 满足上述形状的振动梁的 1 个例子表示在图 3 中。
图 3 表示的振动梁 301 在未振动的状态下， 在 1 个平面内伸展。图 3 是从与振动 梁 301 伸展的平面垂直的方向观察的平面图。振动梁 301 有从固定在支承体 302 上的一个 端部 303 伸展的部分 305、 从固定在支承体 302 上的另一个端部 304 伸展的部分 306。振动 梁 301 在部分 305 与部分 306 之间具有折曲部 309 和折曲部 310。折曲部 309、 310 对增大 振动梁 301 能够得到的振幅量做出贡献。但是， 从与振动梁 301 伸展的平面垂直的方向观 察， 部分 305 从端部 303 伸展的方向 307 和部分 306 从端部 304 伸展的方向 308 与连接端 部 303 的中心 311 和端部 304 的中心 312 的直线 313 平行。即， 方向 307、 308 与直线 313 构成的角度是 0°。包含 y 方向的成分的振动如果施加到振动梁 301， 则振动梁 301 沿着 y 方向振动。即， 在振动梁 301 中， y 方向的振动汇集到 z 方向的振动中的量减少， 发电量减 小。 在图 1 和图 2 表示的振动梁 2 中， 第一部分 5 伸展的第一方向 11 是第二部分 7 接 近固定在支承体 3 的第二端部 6 的方向。 第二部分 7 伸展的第二方向 12 是第一部分 5 接近 固定在支承体 3 的第一端部 4 的方向。假如方向 11 和方向 12 分别是从第二端部 6 和第一 端部 4 离开 ( 远离 ) 的方向， 则连接第一部分 5 和第二部分 7 的第三部分 10 的长度加长， 形状变得复杂。
进而， 第一方向 11 和第二方向 12 以相对于连接第一端部 4 的中心 8 和第二端部 6 的中心 9 的直线 13 小于 90°的角度相交。假如方向 11 和方向 12 以相对于直线 13 大于 等于 90°的角度相交， 则第三部分 10 的长度加长， 形状变得复杂。
进而， 第三部分 10 与直线 13 交叉 1 次。假如交叉 2 次以上， 则第三部分 10 的长 度加长， 形状变得复杂。
即， 振动梁 2 的形状基于在增加振幅量的同时， 缩短连接第一部分 5 与第二部分 7 的第三部分 10 的长度， 不会使形状过度复杂的技术思想。如果第三部分的长度长或者第三 部分的形状复杂时， 振动梁易于向 z 方向以外的方向振动。即， 发电量降低。
由振动产生的振动梁的振幅量在振动梁的固定端 ( 固定在支承体的端部 ) 附近最 大。振幅量越大发电量越多。即， 在第一部分、 第二部分和第三部分中， 第三部分对于发电 量的贡献相对小。由此， 即使缩短第三部分的长度， 基于振动在 z 方向汇集的效果， 发电量 也增大。
在第三部分与连接振动梁中的两端部分中心之间的直线的交叉为 0 次的情况下， 振动梁在该梁伸展的平面中， 仅存在于由该直线分割的一个平面中。 在该形状的情况下， 与 振动梁的长度无关地， 振动梁易于向 z 方向以外的方向振动。即， 发电量降低。在本发明的 压电发电元件中， 第三部分与该直线的交叉次数是 1 次。这种情况下， 振动梁在该梁伸展的 平面中， 存在于由该直线分割的两个平面中。
图 1 和图 2 表示的振动梁 2 的振动部的宽度 ( 从垂直于振动梁 2 伸展的平面的方
向观察的宽度 ) 是均匀的。第一部分 5 和第二部分 7 从垂直于该平面的方向观察时为梯 形。第三部分 10 从垂直于该平面的方向观察时为平行四边形。振动梁 2 具有 2 个直角的 折曲部。一个折曲部位于第一部分 5 与第三部分 10 的连接部。另一个折曲部位于第二部 分 7 与第三部分 10 的连接部。图 1 和图 2 表示的振动梁 2 从垂直于该平面的方向观察时 为曲轴 (crank) 形。
振动梁的端部的中心是以下的点。如图 1 和图 2 表示的振动梁 2 那样， 在该梁的 侧面被固定在支承体的情况下 ( 参照图 4A)， 从垂直于振动梁 21 伸展的平面的方向观察， 是 连接振动梁 21 中的接触支承体 22 的侧面的端点 A、 B 的线段 AB 的中心 C。振动梁在该梁 的表面 ( 主面 ) 被固定到支承体的情况下 ( 参照图 4B)， 从垂直于振动梁 21 伸展的平面的 方向观察， 以振动梁 21 的未与支承体 22 重复的部分 ( 即振动部 )23 的一端为端部， 连接其 端点 A、 B 的线段 AB 的中点 C。
第一部分和第二部分伸展的方向是该部分的中心线 ( 带状的振动梁的长度方向 的中心线 ) 延伸的方向。第一部分和第二部分的中心线是直线。
第三部分与直线交叉是指第三部分的中心线 ( 带状的振动梁的长度方向的中心 线 ) 与该直线交叉。
在本发明的压电发电元件中， 第一部分和第二部分的形状在满足以下的条件即可 的情况下没有限定。两个端部 ( 第一端部和第二端部 ) 固定在支承体。第一部分和第二部 分分别从第一端部和第二端部伸展。第一部分和第二部分在未振动的状态下， 在 1 个平面 内伸展。从与振动梁伸展的平面垂直的方向观察， 第一部分和第二部分从上述各端部伸展 的方向 ( 第一方向和第二方向 ) 是分别接近第二端部和第一端部的方向。从与振动梁伸展 的平面垂直的方向观察， 第一方向和第二方向具有相对于连接该端部的中心之间的直线超 过 0°小于 90°的角度。
第三部分的形状在将第一部分和第二部分在该各部分的端部连接、 在与第一部分 和第二部分伸展的平面相同的平面内伸展、 与上述直线交叉 1 次的情况下没有限定。第三 部分从与振动梁伸展的平面垂直的方向观察， 可以有弯曲部和 / 或折曲部。
在振动梁中， 优选为第一方向与第二方向相互平行。这种情况下， z 方向以外方向 的振动汇集到 z 方向的振动中的量增大。
对于振动梁， 优选从与该梁伸展的平面垂直的方向观察时具有点对称的形状。这 种情况下， z 方向以外方向的振动汇集到 z 方向的振动中的量增大。图 1 和图 2 表示的振 动梁 2 以其中心线 15 上的点 16 为基准， 具有点对称的形状。点 16 在中心线 15 中位于第 一端部 4 与第二端部 6 之间的中间点。
在本发明的压电发电元件中， 在振动梁的表面上能够配置锤。 通过锤的配置， 能够 进行压电发电元件中的响应频率的调整和捕捉振动的水平 (level) 调整。
如图 1 和图 2 所示， 在本发明的压电发电元件中， 在振动梁 2 的表面上配置发电层 14。发电层 14 具备压电体层和夹持压电体层的一对电极。发电层 14 配置在振动梁 2 的至 少一部分表面上。可以存在未配置发电层 14 的振动梁 2 的表面。发电层 14 可以配置在振 动梁 2 的两个表面 ( 主面 )。发电层 14 还可以配置在振动梁 2 中的固定在支承体 3 的部分 和支承体 3 的表面上。在图 1 和图 2 都没有表现发电层 14 的厚度。但是实际上发电层 14 具有厚度。构成压电体层的材料具有压电性能。具体而言， 该材料例如是 Pb(Zr， Ti)O3 那样 的含铅的强电介质 ； BaTiO3、 (Bi， Na)TiO3 和 (K， Na)NbO3 那样的强电介质 ； 和高分子压电材 料。构成压电体层的材料可以是公知的压电材料。
电极由具有导电性的材料构成。该材料没有限定。
振动梁、 压电体层和电极的厚度、 发电层的结构和支承体的形状如果是从业人员 则能够适当调整。在图 1 和图 2 表示的元件 1 中， 支承体 3 从与振动梁 2 伸展的平面垂直 的方向观察， 是包围振动梁 2 的 U 字形。
本发明的压电发电元件如果是从业人员则能够应用公知的方法制造。
以下， 叙述本发明的压电发电元件能够采取的变更。
图 5A 和图 5B 表示本发明的压电发电元件的另一个例子。图 5B 表示沿着图 5A 表 示的压电发电元件 31 具备的振动梁 32 的中心线 33 切断该元件后的截面。图 5A 和图 5B 表示的压电发电元件 31 除去从夹持压电体层 33 的一对电极 ( 下部电极 32 和上部电极 34) 选择出的一个电极 ( 上部电极 34) 沿着振动梁 2 伸展的方向分割配置成 2 个以上 ( 上部电 极 34a、 34b、 34c) 以外， 与图 1 和图 2 表示的压电发电元件 1 相同。
上部电极 34a 通过下部电极 32 和压电体层 33， 配置在振动梁 2 中的第一部分 5 的 表面。上部电极 34b 经过下部电极 32 和压电体层 33， 配置在振动梁 2 中的第三部分 10 的 表面。上部电极 34c 经过下部电极 32 和压电体层 33， 配置在振动梁 2 中的第二部分 7 的表 面。 对于 z 方向的外部振动， 振动梁 2 的整体沿着相同的方向变位。另一方面， 在振动 梁 2 的表面发生的面内应力， 即， 施加在振动梁 2 的表面配置的压电体层 33 上的应力在第 一部分 5 和第二部分 7、 第三部分 10 之间不同。具体地讲， 第一部分 5 和第二部分 7 其一个 端部固定在支承体 3 上 ( 有固定端 )。另一方面， 第三部分 10 的两个端部都能够振动。因 而， 当在第一部分 5 和第二部分 7 上施加压缩应力时， 在第三部分 10 上施加扩张应力。当 在第一部分 5 和第二部分 7 上施加扩张应力时， 在第三部分 10 上施加压缩应力。压缩应力 和扩张应力根据振动， 周期性地交替施加到各部分上。即， 在压电体层中， 在与第一部分 5 和第二部分 7 相对应的部分中产生的电场的方向与在与第三部分 10 相对应的部分中产生 的电场的方向成为相反 ( 参照图 5B。压电体层 33 中的箭头指示某个瞬间的在该层 33 内产 生的电场的方向 )。因而， 如果没有分割地在第一部分 5、 第二部分 7 和第三部分 10 中共用 配置夹持压电体层 33 的一对电极， 则在压电体层中， 在与第一部分 5 和第二部分 7 相对应 的部分中的发电和在与第三部分 10 相对应的部分中的发电相互抵消。这样在压电发电元 件中带来发电量的降低。
对此， 在图 5A 和图 5B 表示的元件 31 中， 上部电极 34 被分割为 3 个。由此， 能够 减轻压电体层 33 中的发电相互抵消的程度。即， 在本发明的压电发电元件中， 优选从夹持 压电体层的一对电极选择出的至少 1 个电极沿着振动梁伸展的方向分割配置为 2 个以上。 分割该至少 1 个电极的具体状态没有特别限定。根据分割的状态和取出通过发电产生的电 力的布线的状态， 压电体层中的发电的相互抵消几乎完全受到抑制。在图 5A 和图 5B 表示 的例子中， 上部电极 34 分割为与第一部分 5、 第二部分 7 和第三部分 10 的每一个相对应的 3 个电极 34a、 34b 和 34c。如图 5B 所示， 这种情况下， 经过下部电极 32， 电并联连接与压电 体层中的第一部分 5 相对应的部分和与压电体层中的第二部分 7 相对应的部分。 除此以外，
经由下部电极 32， 电串联连接与压电体层中的第一部分 5 相对应的部分和与第二部分 7 相 对应的部分、 与压电体层中的第三部分 10 相对应的部分。依据该结构， 发电的相互抵消几 乎完全被抑制， 取出较大的电力的量。
如上所述， 由于在接近振动梁的固定端的部分中发电量大， 因此能够省略配置在 第三部分表面上的电极 34b。
布线的状态能够为以下的状态 ： 利用电极 34a 和下部电极 32， 取出在压电体层中 与第一部分 5 相对应的部分中产生的电力 ； 利用电极 34b 和下部电极 32， 取出在发电体层 中与第二部分 7 相对应的部分中产生的电力 ； 利用电极 34c 和下部电极 32， 取出在压电体 层中与第三部分 10 相对应的部分中产生的电力。即， 单独取出在与第一部分 5 相对应的部 分中产生的电力、 在与第二部分 7 相对应的部分中产生的电力和在与第三部分 10 相对应的 部分中产生的电力。
图 6A 和图 6B 表示至少 1 个电极沿着振动梁伸展的方向分割配置为 2 个以上的其 它例子。图 6B 是沿着图 6A 表示的压电发电元件 41 具备的振动梁 2 的中心线 15 切断该元 件 41 后的截面图。图 6A 和图 6B 表示的压电发电元件 41 除去夹持压电体层 43 的一对电 极 ( 下部电极 42 和上部电极 44) 的每一个沿着振动梁 2 伸展的方向分割配置为 2 个以上 ( 下部电极 42a、 42b 和上部电极 44a、 44b) 以外， 与图 1 和图 2 表示的压电发电元件 1 相同。 上部电极 44a 经过下部电极 42a 和压电体层 43， 配置在振动梁 2 中的第一部分 5 的表面。上部电极 44b 经由下部电极 42a 和压电体层 43， 配置在振动梁 2 中的第二部分 7 的表面， 和经由下部电极 42b 以及压电体层 43 配置在振动梁 2 中的第三部分 10 的表面。 下部电极 42a 配置在振动梁 2 中的第一部分 5 和第二部分 7 的表面。下部电极 42b 配置在 振动梁 2 中的第三部分 10 的表面。在下部电极 42a 与下部电极 42b 之间， 配置将两个电极 42a、 42b 电绝缘的绝缘间隔 45。绝缘间隔 45 由空隙或者绝缘物构成。在图 6A 和图 6B 表 示的元件 41 中， 压电体层中的与第一部分 5 相对应的部分、 与第二部分 7 相对应的部分和 与第三部分 10 相对应的部分电串联连接。在元件 41 中， 上述的抵消几乎完全被抑制， 取出 很大的电力量。
除此以外， 在元件 41 中， 取出电力的电极配置在振动梁 2 的固定端的附近。因而， 容易进行元件 41 与外部电路的连接。
如图 1 所示， 本发明的压电发电元件具备的振动梁能够具有折曲部。图 1 表示的 元件 1 具备的振动梁 2 有 2 个直角的折曲部。在本发明的压电发电元件中， 在振动梁有折 曲部的情况下， 折曲部的角度能够是锐角或者钝角。
图 7A 表示振动梁的折曲部的角度是锐角的元件的例子。图 7A 表示的元件具备的 振动梁 51 有 2 个锐角的折曲部。 在折曲部的角度是锐角的情况下， 能够增大收容振动梁 51 的由支承体 3 包围的空间的使用效率。即， 能够增大元件的每个单位面积的发电量。
图 7B 表示振动梁的折曲部的角度是钝角的例子。图 7B 表示的元件具备的振动梁 53 有 2 个钝角的折曲部。图 7C 表示振动梁 54 虽然有 2 个锐角的折曲部， 但是在该折曲部 中设定了圆弧的例子。 如果在振动梁中有角， 则由于反复施加的振动， 有时以该角为起点产 生龟裂。在图 7B 和图 7C 表示的例子中， 能够抑制发生这样的龟裂的情况。即， 能够减少元 件的损坏频度， 实现更坚固耐用的元件。
在图 7A ～图 7C 表示的例子中， 每一个中的上部电极都沿着振动梁 51、 53 或者 54
伸展的方向， 分割配置为 2 个以上 ( 上部电极 52a、 52b 和 52c)。图 7A ～图 7C 表示的例子 中的第一部分 5 和第二部分 7 是振动梁的中心线 15 为直线的部分。振动梁 51、 53 或者 54 中的剩余的部分是第三部分 10。
图 8A 表示图 5A 表示的元件中的扩宽了振动梁的固定端附近的例子。图 8B 表示 图 7A 表示的元件中的扩宽了振动梁的固定端附近的例子。图 8C 表示图 7B 表示的元件中 的扩宽了振动梁的固定端附近的例子。图 8D 表示图 7C 表示的元件中的扩宽了振动梁的固 定端附近的例子。 如这些例子所示， 如果扩宽固定端的附近， 则压电发电元件的发电效率提 高。除此以外能够增大收容振动梁的由支承体 3 包围的空间的使用效率。即， 能够增大元 件的每个单位面积的发电量。扩宽优选有随着接近固定端， 振动梁的宽度增大的形态。
本发明的压电发电元件只要能够得到本发明的效果， 就可以具备上述以外的任意 的构件。
[ 使用压电发电元件的发电方法 ]
通过在上述本发明的压电发电元件施加振动， 在夹持压电体层的一对电极之间产 生电位差。由此， 经由该电极能够得到电力。上述的压电发电元件的优选形态在本发明的 发电方法中使用的压电发电元件中也作为优选。 从外部在压电发电元件上施加机械振动时， 该元件具备的振动梁振动。该振动使 压电体层产生基于压电效果的电动势。这样， 在夹持压电体层的一对电极 ( 上部电极和下 部电极 ) 之间产生电位差。
在本发明的发电方法中能够实现大的发电量。
实施例
以下， 根据实施例， 更详细地说明本发明。但本发明不限于以下的实施例。
( 实施例 1)
在实施例 1 中， 将硅 (Si) 基板进行微细加工， 形成支承体和固定在该支承体上的 振动梁。形成了两种振动梁。一种是图 12 表示的直线桥形的振动梁。另一种是图 1 表示的 曲轴形的振动梁。在所形成的振动梁的表面， 配置了由钙钛矿型强电介质 Pb(Zr， Ti)O3( 以 下记为 PZT) 构成的压电体层和夹持该压电体层的一对电极 ( 上部电极和下部电极 )。由 此， 形成了本发明的压电发电元件 ( 振动梁是图 1 表示的形状 ) 和比较用的压电发电元件 ( 振动梁是图 12 表示的形状 )。
具体的形成方法如下所示。
最初， 在 Si 基板上， 在干蚀刻以后通过溅射法形成成为下部电极的厚度 100nm 的 铱 (Ir) 层。 接着， 在 Ir 层上， 在干蚀刻以后通过溅射法形成了成为压电体层的厚度 3.6μm 的 PZT 薄膜。PZT 薄膜在基板温度 600℃的条件下形成。接着， 通过光刻法， 将 Si 基板 /Ir 层 /PZT 薄膜的叠层体图案化为图 1 表示的形状。另外， 通过光刻法， 将 Si 基板 /Ir 层 /PZT 薄膜的另外的叠层体图案化为图 12 表示的形状。
在图案化中， 振动梁的宽度 ( 从与振动梁伸展的平面垂直的方向观察的宽度 ) 在 振动梁整体是均匀的， 是 2mm。支承体的形状是图 1 和图 12 表示的形状 (U 字形 )。U 字的 相互平行的边的间隔是 10mm。在图 1 表示的形状中， 振动梁 2 的第三部分 10 的长度作为该 部分的中心线 15 的长度， 是 4mm。
接着， 在干蚀刻以后通过溅射法形成成为上部电极的厚度 100nm 的金 (Au) 层。在
PZT 薄膜与 Au 层之间作为密接层配置了钛 (Ti) 层。Au 层形成为接近成为振动梁的固定端 的部分。接着， 整体干蚀刻使振动梁的厚度成为 80μm。由此， 形成了具有图 1 表示的形状 的压电发电元件和有图 12 表示的形状的压电发电元件。
把这样形成的两种压电发电元件分别设置在振动试验机中。接着， 由振动试验机 在与元件的振动梁的主面垂直的方向 (z 方向 ) 施加振动。这时， 振动梁的一个固定端中的 上部电极和下部电极连接负载电阻， 估算了在元件中产生的发电量。
图 9 表示在元件上提供了有 2G(G ： 重力加速度 ) 的最大加速度的频率 800Hz 的外 部振动时的无负载时的产生电压 ( 在上部电极 - 下部电极之间产生的电位差 ) 的时间依赖 性。白色标记与具有图 12 表示的形状的压电发电元件输出的电位差相对应。黑色标记与 具有图 1 表示的形状的压电发电元件输出的电位差相对应。如图 9 所示， 具有图 1 表示的 形状的元件输出的峰间 ( 峰 - 峰 ) 电压是 2.8V。这是具有图 12 表示的形状的元件输出的 峰间电压的 2 倍以上。
接着， 通过连接负载， 估算了各元件的平均产生电力。双方的元件都在连接 5kΩ( 千欧 ) 的负载电阻时表现出了最大的发电量。 有图 12 表示的形状的元件的最大发电 量作为电力实效值是 8μW。另一方面， 有图 1 表示的形状的元件的最大发电量作为电力实 效值是 50μW。
接着， 使施加在元件上的外部振动的最大加速度增加。有图 12 表示的形状的元件 的最大发电量在 10μW 时饱和。这一点能够认为是由于振动梁中的振幅量的界限低。另一 方面， 有图 1 表示的形状的元件的最大发电量根据加速度的增加而增大。在有图 1 表示的 形状的元件中， 确认了对于最大加速度 2G 的外部振动的瞬时最大产生电力达到 400μW。 除 此以外， 对于最大加速度 10G 的外部振动， 该元件也没有被破坏， 继续发电。
( 实施例 2)
使用与实施例 1 相同的材料和方法， 形成了具有图 1 表示的形状的压电发电元件 和具有图 3 表示的形状的压电发电元件。两个元件的振动梁的宽度在振动梁整体都是均匀 的， 是 2mm。支承体的形状是图 1 和图 3 表示的形状 (U 字形 )。U 字的相互平行的边的间隔 是 10mm。在图 1 表示的形状中， 振动梁 2 的第三部分 10 的长度作为该部分的中心线 15 的 长度是 4mm。两个元件的上部电极都从振动梁的固定端起形成 3mm 左右的长度。两个元件 都在振动梁的中央的点 16( 有图 1 表示的形状的元件 ) 和点 320( 有图 3 表示的形状的元 件 ) 上设置锤， 使得振动梁的共振频率成为 800Hz 左右。
将这样形成的两种压电发电元件分别设置在振动试验机中。
接着， 由振动试验机在与元件的振动梁的主面垂直的方向 (z 方向 ) 施加最大加 速度 3G 的外部振动。与实施例 1 同样地估算了这时的最大发电量。两个元件都能够得到 110μW 的电力实效值。
接着， 由振动试验机在两个元件施加了不是与 z 方向完全相同， 而是沿着 y 方向倾 斜了 45 度的即包括 z 方向和 y 方向的两个成分的外部振动。在有图 3 表示的形状的元件 中， 最大发电量作为电力实效值是 70μW。 另一方面， 在有图 1 表示的形状的元件中， 最大发 电量作为电力实效值是 100μW。在有图 1 表示的形状的元件中， y 方向的振动汇集到 z 方 向的振动中。即， 在有图 1 表示的形状的元件中， 实现了不仅是 z 方向， y 方向的振动也对 发电做出贡献的发电效率非常高的压电发电元件的结构。( 实施例 3)
使用与实施例 1 相同的材料和方法， 形成了有图 10 表示的形状的压电发电元件。 支承体 3 的形状是 U 字形。U 字的相互平行的边的间隔是 10mm。振动梁 65 的宽度在第三部 分 ( 振动梁 65 中的第一部分 5 和第二部分 7 以外的部分 ) 中是均匀的 2mm。振动梁 65 的 宽度在第一部分 5 和第二部分 7 的固定端中是 4mm。振动梁 65 的宽度在第一部分 5 和第二 部分 7 中的与第三部分的连接端中是 2mm。即， 振动梁 65 的宽度越接近固定端越大。在位 于振动梁 65 的中央 ( 振动梁的中心线 15 中的从一个固定端向另一个固定端的中央部分 ) 的点 16 上设置锤， 使得振动梁的共振频率成为 800Hz 左右。为了易于理解附图， 省略了第 三部分的图示。
在该元件中， 形成在第一部分 5 上的上部电极 52a 与形成在第二部分 7 上的上部 电极 52c 由设置在第三部分上的上部电极 52b 旁边的引出布线 61 进行电连接。上部电极 52a 向形成在支承体 3 上的电极端子 62 引出。形成在第三部分上的上部电极 52b 由设置 在上部电极 52a 旁边的引出布线 63 引出， 与电极端子 64 电连接。根据该构造， 在电极端子 62 与电极端子 64 之间， 在第一部分 5、 第二部分 7 和第三部分上配置的压电体层 66 中产生 的电力串联连接。即， 在该元件中， 实现图 5B 表示的电连接。由此， 被寄予确保有效的发电 量的期待。
把这样形成的压电发电元件设置在振动试验机中。
接着， 由振动试验机在与元件的振动梁的主面垂直的方向 (z 方向 ) 施加最大速度 2G 的外部振动。与实施例 1 同样地估算了这时的最大发电量。在该元件中连接负载电阻 2kΩ 时， 得到最大发电量 ( 作为电力实效值是 1.5mW)。除此以外， 瞬时最大产生电力达到 了 10mW。该元件有在由支承体包围的空间中存在少的空隙的振动梁的形状。因而， 每个单 位面积 ( 当从与振动梁伸展的平面垂直的方向观察元件时的单位面积 ) 的实效发电量达到 了 2mW/cm2 这样大的值。
本发明只要不脱离其意图和本质性的特征， 也能够在其它实施方式中适用。在该 说明书公开的实施方式在所有各点都是说明性的， 并不限于该形态。本发明的范围不是由 上述说明而是由权利要求表示， 包括与权利要求均等意义和范围内的所有变更。
产业上的可利用性
本发明的压电发电元件作为从周围环境捕捉电力的小型的独立发电元件是有用 的。本发明的压电发电元件实现不需要电池交换的设备。设备例如是各种传感器、 无线机 那样的电子设备。